6.2 TI Precision Labs - ADCs: Overview of Reference Drive Topologies

Hello. And welcome to the TI Precision Lab series, covering voltage reference considerations for SAR ADCs. The goal of this section is to take a close look at the importance of having a wide-bandwidth buffer between the reference and the ADC input. We will compare and contrast measured results, showing the importance of the buffer. Finally, we will highlight some devices with integrated buffers that can be used to simplify your design.
In this video, an overview of different SAR ADC reference drive circuit topologies will be presented. First, we will define what we mean by reference buffer. Then we will compare a buffered and unbuffered reference. Finally, we will also look at how some devices integrate reference buffers.
The term "reference buffer" is used to describe a wide-bandwidth amplifier used between the reference and the ADC input. The reference buffer responds to very fast transient current requirements on the switch capacitor ADC reference input. Note that multiple transients from the reference input can be milliamps in amplitude and are spaced in nanoseconds.
Besides having wide bandwidth, a good reference buffer needs to have low output impedance across frequency. Furthermore, they need to be capable of sourcing and sinking relatively large currents-- for example, plus or minus 10 milliamps. Also note that any reference buffer will need to have good DC performance. That is, the reference buffer will need to have low offset and offset drift.
Finally, the reference buffer can be integrated into the reference, or it may be an external amplifier. The figure shown here demonstrates an external amplifier buffer. Note that all series voltage references will have some type of internal buffer. In many cases, however, this buffer doesn't have sufficient bandwidth or current drive capability to directly drive an ADC reference input and achieve good settling performance. Thus, when we refer to a reference buffer in this presentation, we are specifically referring to a wide-bandwidth buffer that is capable of driving a SAR ADC reference input and achieving good settling. The figure below shows a reference buffered with an external wide-bandwidth amplifier.
The next logical question you might ask is, when is a reference buffer required? The buffer requirement depends primarily on two factors, the output drive capability of the reference and the SAR ADC input current demand. The SAR ref input current demand tends to be a function of the sampling rate and resolution of the ADC. As the sampling rate increases, the average reference input current demand will tend to increase.
It is important to understand that the reference input current in the traditional SAR ADC is not a static or constant DC current. Rather, the reference input current consists of fast current transients as the binary weighted bit decisions are made. We will cover more detail on this later.
Also note the higher resolution SAR ADCs will tend to have more demanding reference specifications. This is because the reference voltage input must remain stable and settle to less than one LSB. For example, a 12-bit ADC using a 5-volt reference has a Least Significant Bit weight, or LSB, of 1.22 millivolts. In contrast, a 16-bit device has a smaller bit weight resolution of 76 microvolts, imposing a much more stringent requirement.
When designing a data acquisition system, the first step is to check the SAR ADC data sheet for guidelines. Most ADC data sheets provide a circuit recommendation optimal to support the maximum data rate. However, depending on the sampling rate requirements and the reference device used in the application, a detailed analysis or simulation may be required to verify that you will meet the performance target.
Let's look at a few example circuits. First, let's consider a case where the performance is degraded because we didn't use a reference buffer. Here, we show the REF5050 connected to the ADS8860, a 16-bit, 1 megasample per second converter. In this example, we will see degraded performance because the reference does not have a sufficient bandwidth to respond to the transient current demand of the ADC.
In this circuit, the REF5050 device is not able to recover and recharge the bypass capacitor between conversions. And the voltage droop and settling errors occur at the SAR REFP input between conversions. These voltage reference settling errors cause linearity and distortion in the conversion result. Note that the sampling rate and resolution have an impact on the reference bandwidth requirement. In this example, the ADS8860 is a 1 megasample per second, 16-bit ADC, which is relatively fast and high-resolution. So a wide-bandwidth buffer is needed.
Let's take a look at the measured results. This plot shows the FFT results of the ADS8860 sampling at 1 megasamples per second with the REF5050 reference driving the ADC without a buffer. Comparing the SNR and THD of the specifications, you can see that the measured THD of negative 91.3 dB is significantly degraded compared to the expected THD of negative 108 dB. Also, if you look at the FFT, you will notice a relatively large second and third harmonic. In the next slide, we will resolve this issue by placing a reference buffer with enough bandwidth and low output impedance to drive the reference input.
This figure shows a very similar configuration to the last circuit. The data converter and test conditions are the same for both circuits. The only change is that the REF5050 was replaced with a REF6050. Both devices are precision, low-noise, low-drift references with very similar specifications. The main difference between the two references is that a wide-bandwidth buffer is used at the output of the REF6050. This buffer has low output impedance across frequency and was optimized to drive a switch capacitor reference input.
One key benefit of using a device like the REF6050 is that the PCB board area and complexity is reduced compared to a discrete reference buffer. In fact, both the REF6050 and REF5050 are pin-to-pin compatible. So let's see how the ADS8860 performance is impacted by changing the reference.
Here, we compare the ADS8860 performance with the two different references. First, note that the data converter specifications are 93 dB for SNR and negative 108 dB for THD. Ideally, our measured system should meet the data sheet specifications. If it doesn't meet the specifications, it is likely that some external component, such as a reference, is a limiting factor.
The plot on the left shows the performance with the REF5050. Although this reference is a precision, low-noise, low-drift reference, you can see that the THD is significantly degraded compared to specification. According to the specification, we should get negative 108 dB. But we only get negative 91.3 dB.
The plot on the right, on the other hand, shows the performance for the REF6050. Comparing the FFTs, you can see that the harmonics for this system is significantly improved. Also, comparing the measured SNR and THD for the specification, you can see that we are very close to the specification. The main point here is that the reference with a wide-bandwidth buffer is able to achieve a better distortion specification because it can to the large, rapid transients at the reference input.
Next, let's look at how sampling rate can impact the reference drive requirements. Here, we show an example where a wide-bandwidth reference isn't always needed. Recall from the previous example that the REF5050 did not have an integrated wide-bandwidth output buffer. So we saw degraded performance when this reference was used at 1 megasamples per second.
Here, we are using a different data converter, the ADS8326, which is a 16-bit device with a maximum sampling rate of 250 kilosamples per second. Using this data converter with the REF5050 actually yields a very good performance. This is because the relatively slow sampling rate of 250 kilosamples per second allows the REF5050 to completely recharge the bypass capacitor with the time interval between conversions.
For best performance, it is important to use a relatively large bypass capacitor. The REF5050 is capable of driving large capacitive load. Also, choosing a reference that can source and sync significant current is important. The REF5050, for example, can source plus or minus 10 milliamps. Be sure to check the capacitive drive and output current specification in the reference data sheet, as some references will be limited. Note that for this example configuration, the ADS8326 can meet the data sheet THD and SNR specification without a wide-band buffer.
In cases where you need a reference buffer from a simplicity perspective, you would like to use a simple op-amp amp unity gain follower, as shown on the left. The problem with a simple design is that the buffer needs to have both good AC and DC characteristics. The offset and offset drift need to be low, or the precision of the reference is lost. Also, the bandwidth needs to be high. And the output impedance needs to be low and flat across frequency.
Most amplifiers are either optimized for AC or DC characteristics. So finding the ideal reference buffer can be challenging. One way to solve this problem is to use a composite amplifier. A composite amplifier will use two op-amps, one that is optimized for good DC operation, and the other that is optimized for bandwidth.
One example of a composite amplifier is shown on the right. The OPA378 input amplifier is a chopper amplifier. Chopper amplifiers offer excellent DC precision as they continuously self-calibrate the offset and offset drift. In this case, the offset is 50 microvolts. And the drift is 0.25 microvolts per degree Celsius. However, the bandwidth and output impedance for this device are not sufficient for driving the reference input. The OPA625 output amplifier offers high bandwidth of 125 megahertz with very low output impedance over frequency, capable of driving the SAR ADC dynamic load.
Since the OPA378 is used at the input of the feedback loop, the offset and drift errors of the OPA625 are corrected. And the OPA625 at the output of the composite can still respond to the rapid transience of the ADC. So the composite essentially gets the best of both worlds. It has the good DC characteristics from the OPA378 and the good AC characteristics from the OPA625.
After inspecting the circuit, you might be dissuaded from using it because of its complexity. However, to achieve the highest performance at high data rates, this may be required. Frequently, the ADC data sheet will provide recommendations for ADC drive circuits. So check the data sheet before choosing your topology.
Many modern SAR ADCs incorporate internal references and reference buffers. This slide show the high-performance ADS8900B, a SAR ADC offering a very high 20-bit resolution at a fast sampling rate of 1 megasample per second. In this case, the output of the voltage reference connects to a high-impedance buffer input. Thus, the voltage reference does not see any transients from the ADC.
This convenient feature allows multiple ADC devices to be connected to a single voltage reference. This approach simplifies calibration and reduces the system complexity. Note that each device requires a local bypass capacitor at the reference buffer output. Another nice benefit of the reference buffer is that the reference can have a traditional RC noise-reduction filter connected to its output.
If you look at this example, the 1k ohm and the 10-microfarad filter limit the noise to 159 hertz. It is not possible to use this kind of filter without the buffer, as the 1k ohm resistor would limit its ability to respond to the large current transience from the reference input. In general, modern ADCs tend to integrate more of these convenient features, simplifying your design and reducing PCB area.
That concludes this video. Thank you for watching. Please try the quiz to check your understanding of this video's content. 您好。 歡迎收看 TI 精密實驗室系列， 我們將說明 SAR ADC 的 電壓參考考量事項。 本節的 目的為更深入瞭解 在參考與 ADC 輸入之間擁有 高寬頻緩衝器 的重要性。 我們將比較 並對比測量的結果， 顯示緩衝器 的重要性。 最後我們將 強調具備整合式 緩衝器的部分裝置 ，這些裝置可以 用於簡化設計。 在本影片中，將呈現不同 SAR ADC 參考 驅動器電路 拓撲。 首先將定義 我們所謂的參考緩衝器。 然後比較緩衝 和無緩衝參考。 最後我們也會討論 部分裝置，如何整合 參考緩衝器。 「參考緩衝器」 一詞用於 說明在參考 與 ADC 輸入 之間使用的 高寬頻緩衝器。 參考緩衝器 會回應開關電容 ADC 參考 輸入上 非常快速的 暫態電流。 請注意，來自參考輸入 的多個暫態 可以是數毫安培 (振幅) ，並間隔數毫微秒。 除了具有高頻寬之外， 良好的參考緩衝器 還需要在頻率之間 具有低輸出阻抗。 而且，此類緩衝器需要 能夠流出和流入 較大電流-- 例如，正或負 10 毫安。 另請注意，任何 參考緩衝器將需要 具有良好的 DC 性能。 換言之， 參考緩衝器將 需要具有低偏移 和偏移漂移。 最後， 參考緩衝器可以 整合至 參考之中， 或其可能是 外部放大器。 此處所示的圖 展示 了外部放大器緩衝器。 請注意，所有串聯 電壓參考將具有 某類型的內部緩衝器。 然而，在許多情況下， 此緩衝器 並無足以直接 驅動 AC 參考輸入 或達到良好 穩定性能的 頻寬或 電流驅動能力。 因此，當我們在 本簡報中 提及參考緩衝器時， 我們專門 指的是 能夠驅動 SAR ADC 參考輸入 並達到良好穩態 的高頻寬緩衝器。 下圖 顯示具有 以外部高頻寬放大器 緩衝的參考。 根據邏輯，接下來您可能會問 的問題是 何時需要參考 緩衝器？ 緩稱器需求 主要取決於 兩大因素： 參考的輸出驅動 功能、和 SAR ADC 輸入電流需求。 SAR 參考輸入 電流需求易為 取樣率和 ADC 解析度的函數。 隨著取樣率增加， 平均參考輸入 電流需求將 隨之增加。 這裡必須要瞭解的是， 傳統 SAR ADC 中參考 輸入電流， 並非靜電流或 DC 定電流。 進行二進位 加權位元 判定時， 參考輸入 電流是 由快速電流暫態組成。 之後我們會深入 探討細節。 另請注意，解析度 越高，SAR ADC 越容易具有更嚴苛的 參考規格。 這是因為 參考電壓 輸入，必須保持穩定 並穩態成小於 LSB。 例如，採用 5 伏特參考 的 12 位元 ADC 具有最低 有效位元 (LSB) 加權的 1.22 毫伏。 相對之下，16 位元裝置具有 76 微伏的較小 位元加權解析度，因而帶來 許多更嚴格的 需求。 設計資料 擷取系統時， 第一步是 查看 SAR ADC 資料 表，瞭解準則。 大部分 ADC 資料表，皆會提供 支援最大資料速率 的最佳 電路建議。 然而。視 取樣率需求 和應用中採用的 參考裝置而定， 可能需要進行 詳細的分析 或模擬，以驗證 您將會符合性能 目標。 讓我們來看看一些 電路範例。 我們先來 思考一下， 因未使用 參考緩衝區， 而造成性能降低的例子。 此處為 REF5050， 它連接每秒 取樣百萬次的 16 位元 ADS8860 轉換器。 在此範例中，我們將 會看到因參考 無足夠的頻寬 來回應 ADC 的暫態電流需求， 而導致性能降低的情況。 在此電路中， REF5050 裝置 無法在轉換之間 讓旁路電容 回復並充電。 在轉換之間， SAR REFP 輸入 也會發生壓降 和穩態誤差。 這些電壓參考 穩態誤差，會導致轉換 結果出現線性度 和失真。 請注意，取樣 率和解析度 會對參考頻寬 需求產生影響。 在此範例中， ADS8860 是每秒 百萬次取樣的 16 位元 ADC， 速度相對 較快，解析度也高。 所以需要高頻寬 緩衝器。 現在來看 測量的結果。 本圖顯示 ADS8860 每秒百萬次 取樣並以 REF5050 參考 驅動無緩衝器的 ADC 時，所得到的 FFT 結果。 與規格的 SNR 和 THD 相比， 您會看到測量的 THD 為負 91.3 dB， 遠低於 預期的 負 108 dB THD。 此外，如果觀察 FFT，您 將注意到相對較大的 第二和第三諧波。 在下一張投影片中， 我們將放置 有足夠頻寬 和低輸入阻抗 驅動參考輸入 的參考緩衝器，以解決此問題。 這個圖形顯示與 上一個電路 非常相似的配置。 這兩個電路 採用相同的 資料轉換器和測試條件。 唯一改變的是將 REF5050 換成 REF6050。 這兩個裝置都是精密、 低雜訊、低漂移的參考， 規格 非常相近。 這兩個參考 的主要差異 在於 REF6050 輸出所 使用的是高頻寬緩衝器。 此緩衝器在 頻率之間具有低輸出 並經過最佳化，可驅動 開關電容參考 輸入.
與離散參考 緩衝器相比， 使用如 REF6050 等裝置的主要優點之一， 便是 PCB 電路板面積和複雜性降低。 事實上， REF6050 和 REF5050 皆是接腳至接腳相容。 接著看看如何透過變更 參考的方式， 影響 ADS8860 性能。 我們在此使用兩個 不同的參考 比較 ADS8860 性能。 請先注意資料 轉換器的規格， SNR 為 93 dB， THD 為負 108 dB。 在理想的情況下，我們測量的系統 應符合資料表 規格。 如果不符合 規格， 可能是某個外部 元件 (如參考) 變成了限制因素。 左圖顯示 REF5050 的性能。 儘管此參考 是精密、 低雜訊、低漂移 的參考，但您 可以見到，與 規格相比，THD 大幅 下降。 根據規格， 應有負 108 dB。 但现在卻僅有 負 91.3 dB。 另一方面， 右圖 顯示 REF6050 的性能。 與 FFT 相比，您 應可以看到 此系統的諧波 大幅改善。 此外，將測得的 SNR 及 THD 與規格相比， 您可看到 與規格相去不遠。 此處的重點 是，具有高頻寬 緩衝器的參考 因為可以回應 參考輸入 的較大、快速 暫態，因此可以 達到較佳的失真 規格。 接著，讓我們來看看取樣 率如何影響參考 驅動需求。 此處是不一定 需要高頻寬參考 的範例。 回想一下之前的範例， REF5050 並無 整合式 高頻寬輸出緩衝器。 因此，以每秒百萬次取樣 的速率使用此參考時， 便會見到性能降低的情況。 此處使用不同的 資料轉換器 ADS8326， 這是一台 16 位元裝置，具有 每秒取樣 250000 次 的最大取樣率。 搭配 REF5050 使用 此資料轉換器， 其實會有 非常好的性能。 這是因為每秒 250000 次取樣的 較慢 取樣率 可讓 REF5050 在轉換之間的 時間間隔， 將旁路電容 完全充滿電。 為獲得最佳性能，請務必 使用相對 較大的旁路電容器。 REF5050 能夠 驅動電容負載。 此外，請務必選擇 可以流出 並同步 大電流的參考。 例如， REF5050 可以流出 正負 10 毫安培。 請務必查看 參考資料表中的 電容驅動和 負載， 因為某些參考 將受到限制。 請注意，就此 範例配置而言， ADS8326 可以在無 高頻寬緩衝器的情況下， 符合資料表 THD 和 SNR 規格。 從精簡的觀點來看， 在需要參考緩衝器的 情況下， 您可能會 想要使用簡易的 運算放大器單一電壓隨耦器， 如左圖所示。 簡易設計的 問題在於， 緩衝器需有 良好的 AC 和 DC 特性。 偏移和偏移 漂移必須低， 否則會失去 參考的精度。 此外，頻寬 也需要高。 頻率之間的 輸出阻抗也需要 又低又平順。 大部分的放大器均針對 AC 或 DC 特性 最佳化。 因此找出理想的參考 緩衝器是具挑戰性的工作。 解決此問題的方法之一 便是使用複合放大器。 複合放大器 將使用兩個運算放大器，一個 針對 良好的 DC 運作最佳化， 另一個針對 頻寬最佳化。 複合放大器 的範例 如右圖所示。 OPA378 輸入放大器 是截波放大器。 截波放大器提供 卓越的 DC 精度， 這是因為它們會持續 自行校準偏移 和偏移漂移。 在此例中， 偏移為 50 微伏特。 漂移為每攝氏度 0.25 微伏特。 然而，此裝置的 頻寬 和輸出並 不足以驅動 參考輸入。 OPA625 輸出放大器 在頻率之間， 提供 125 MHz 及 非常低的輸出阻抗， 能夠驅動 SAR ADC 動態負載。 由於 OPA378 用於 回授迴路的輸入， 因此會修正 OPA625 的偏移和漂移誤差。 在複合放大器 輸出的 OPA625 仍可回應 ADC 的快速暫態。 複合放大器本質上 兼具兩者的優點。 它擁有 OPA378 良好的 DC 特性， OPA625良好 的 AC 特性。 查看 電路後，您 可能會因其 複雜性而退縮。 然而，為使高資料速率 達到最高性能， 可能需要此類放大器。 ADC 資料表常會 提供 ADC 驅動電路的建議。 因此請在選擇拓撲 前查看資料表。 許多現代 SAR ADC 會加入內部參考 和參考緩衝器。 這張投影片顯示 高性能 ADS8900B， 這個 SAR ADC 以 每秒百萬取樣次的 高速取樣率 ，提供非常高的 20 位元解析度。 在此例中，電壓參考的 輸出 連接至 高阻抗緩衝器輸入。 因此，電壓參考 並未察覺來自 ADC 的任何暫態。 此便利功能 可讓多台 ADC 裝置， 連接至 單一電壓參考。 此方法可簡化 校準，並減少 系統複雜性。 請注意每個裝置皆需 在參考緩衝器輸出， 安裝局部旁路電容器。 參考緩衝器 另一個優點， 就是參考 可以讓輸出連接至traditional RC 雜訊消除 濾波器。 如果各位注意到 此範例，1k ohm 和 10 微法拉濾波器 將雜訊限制在 159 Hz。 此類濾波器 一定要搭配 緩衝器使用， 這是因為 1k ohm 電阻器 會限制其 回應 參考輸入的大電流暫態 的能力。 一般而言，現在 ADC 易於整合 更多這些 便利功能， 簡化您的設計 並減少 PCB 面積。 本影片內容至此結束。 謝謝收看。 請接受測驗， 看看您是否理解 本影片的內容。

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Date:
May 11, 2018

The goal of this video is to take a close look at the importance of having a wide bandwidth buffer between the reference and the ADC input. We will compare and contrast measured results showing the importance of the buffer. Finally, we will highlight some devices with integrated buffers that can be used to simplify your design.